РадиоЛоцман - Все об электронике

Интеллектуальное освещение и технологическая инфраструктура умных зданий

Автор: Пол Голата, Mouser Electronics

Интеллектуальное освещение и технологическая инфраструктура умных зданий

Традиционное построение сетей светодиодного освещения зданий основано на централизованном однотипном управлении светодиодными светильниками в большом объеме внутренних помещений. Однако для многих типов зданий, например, коммерческих офисов, медицинских центров, складов, производственных помещений и других объектов многофункционального назначения универсальные единообразные решения оказываются малоэффективными или непрактичными. В этих случаях целесообразен переход к децентрализованной системе управления освещением, адаптированной к условиям небольших сегментов или отдельных помещений зданий. Подобная задача успешно решена в области управления микроклиматом с помощью автоматизированных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Система HVAC способна, например, контролировать температуру в производственных помещениях, что позволяет повысить производительность оборудования и создать комфортную для человека окружающую среду. Кроме того, подключение к интеллектуальным сетям повышает эффективность и снижает стоимость систем управления микроклиматом зданий.

Аналогичным образом к сетевой инфраструктуре управления микроклиматом может быть подключена система интеллектуального светодиодного освещения. Пользователи такой интегрированной системы могут устанавливать параметры освещения для получения максимально высокой производительности труда, создания позитивного настроения, улучшения концентрации внимания и самочувствия людей. Система интеллектуального светодиодного освещения позволяет реализовать весь заложенный в ней потенциал, регулируя уровень освещения в соответствии с суточными биологическими ритмами человека и в зависимости от количества солнечного света, поступающего снаружи через окна зданий.

Архитектура системы PoE
Рис. 1. Архитектура системы PoE.

Светодиодное освещение и PoE

Интеллектуальные светодиодные системы освещения базируются на технологии PoE, осуществляющей передачу низковольтного питания по проводам сети Ethernet, что позволяет реализовать в светодиодных светильниках некоторые функции Интернета вещей (IoT). Внедрение технологии PoE является простой и легко реализуемой процедурой благодаря широкому развитию инфраструктуры на основе Интернет-протокола (IP). С помощью технологии PoE светодиодные светильники получают одновременно и энергию питания, и сигналы системы управления, благодаря чему освещение здания становится одним из доступных ресурсов Интернета вещей. Кроме очевидных преимуществ передачи напряжения питания и данных по одним и тем же проводам сетевой инфраструктуры, электропитание PoE оказывается также менее затратным решением по сравнению с обычными медными кабелями. Как показано на Рис. 1, архитектура системы PoE включает в себя следующие устройства:

  • шлюзы PoE;
  • светодиодные светильники;
  • отдельные светодиодные лампы;
  • интеллектуальные светодиодные драйверы;
  • кабельные жгуты;
  • датчики;
  • беспроводные выключатели и устройства управления яркостью (диммеры).

Шлюзы с поддержкой PoE

Компьютеры и сетевые интерфейсы, подключенные к сетям с поддержкой PoE, функционируют на уровне приложений, в то время как запуск интегрированной системы светодиодного освещения во многом зависит от уровня физических устройств и уровня системных компонентов, используемых для построения сети. Основой системы является шлюз с поддержкой PoE, который осуществляет подключение, управление и питание светодиодных светильников. Шлюзы PoE способны контролировать функции систем светодиодного освещения, включающие в себя управление яркостью и цветом свечения, а также сбор данных от датчиков. Шлюзы PoE способны обеспечить питание нагрузки мощностью до 60 Вт. Для более мощных светильников, используемых, например, при освещении производственных помещений с высокими потолками, требуется питание от сети переменного тока с напряжением 120…277 В. При этом управление мощными светильниками может осуществляться по беспроводной сети посредством реле коммутации сетевого напряжения.

Стандарты, установленные для оборудования IP-сетей, базируются на усовершенствованной архитектуре компьютерных телекоммуникаций (ATCA или Advanced TCA) и используют напряжение питания постоянного тока с номинальной величиной 48 В. В соответствии со стандартами, шлюзы с поддержкой PoE используют следующие топологии источников питания:

  • нерегулируемые преобразователи с выходным напряжением 48 В;
  • стабилизированные преобразователи с выходным напряжением 24/48 В постоянного тока;
  • стабилизированные источники постоянного тока.

В качестве шлюзов с поддержкой PoE могут использоваться также беспроводные коммутаторы, соответствующие стандартам IEEE802 и работающие в стандартных диапазонах 902 МГц в Северной Америке и 868 МГц в Европе. Беспроводные шлюзы имеют эффективную дальность до 15 м и обеспечивают контроль состояния нескольких беспроводных устройств посредством защищенных каналов двусторонней связи, не создавая при этом проблем, обусловленных интерференцией с радиоканалами других устройств.

Светодиодные светильники

Светодиодный светильник является одним из важнейших составных компонентов системы освещения, и по своей сути система освещения базируется на выборе конкретных моделей светодиодных ламп. В обычных осветительных приборах, не имеющих подключения к интеллектуальным сетям, светодиоды используются для замены традиционных источников света, что позволяет повысить светоотдачу светильников благодаря более высокому уровню технологической эффективности светодиодов по сравнению с лампами накаливания или люминесцентными лампами. Тем не менее, подключение к интеллектуальным сетям поднимает систему освещения на следующий, более высокий уровень. В нее добавляются шлюзы с поддержкой PoE, датчики контроля освещения и расширенная версия программного обеспечения управления сетями, что значительно улучшает возможности управления и контроля параметров окружающей среды. Усовершенствованная система освещения становится более ориентированной на потребности человека и получает возможность управления на основе данных, анализа и критериев принятия решений пользователями сети.

Светодиодные лампы

Производители светодиодов постоянно совершенствуют их технические характеристики, повышая энергоэффективность (лм/Вт) и снижая удельную стоимость светового потока ($/лм). Ниже перечислены некоторые из производителей светодиодов, высокое качество которых отмечено производителями светотехнического оборудования.

Компания Cree, лидер в области производства светодиодов для систем освещения, разработала сверхмощный светодиод XLAMP XHP70.2, обеспечивающий малую стоимость системы освещения за счет высокой удельной величины светового потока, надежности и постоянства цветовой гаммы. Светодиод с улучшенными показателями напряжения, удельной величины светового потока, надежности и оптических характеристик размещен в корпусе 7.0 × 7.0 мм.

Компания Lumileds разработала модуль LUXEON MX LED, который представляет собой многокристальный излучатель света высокой мощности, что позволяет реализовать экономически эффективный надежный светильник для производственных помещений с высокими потолками и для наружного применения. В конфигурации с питанием 12 В светодиодный модуль обеспечивает световой поток до 1200 лм при температуре 85 °С и энергоэффективность до 150 лм/Вт.

Компания OSRAM Opto Semiconductors производит светодиод DURIS E 2835, который сочетает в себе высокую эффективность и широкий угол излучения в компактном корпусе PLCC 2.8 × 3.5 мм. Данные светодиоды доступны в исполнениях с коррелированной цветовой температурой (CCT) в диапазоне 2700…6500 К.

Ниже представлены дополнительные компоненты, улучшающие технические характеристики светильников.

Устройства защиты от перенапряжений.
Компания Littelfuse производит модуль защиты PLED6N, который обеспечивает шунтирование светодиода при его обрыве и размыкании цепи в светодиодной ленте. Благодаря небольшой высоте (1.1 мм) модуль конструктивно совместим с одноваттными светодиодами, работающими с номинальным током 350 мА и рабочим напряжением 3 В.

Соединители.
Компания Molex предлагает инновационные типы соединителей «провод-плата» Lite-TrapTM и Mini Lite-TrapTM нажимного типа для поверхностного монтажа. Данные типы соединителей характеризуются малым усилием подключения и отключения проводов и большой силой удержания и, благодаря малой высоте (до 2.65 мм), могут использоваться в низкопрофильных модулях светодиодного освещения. Кроме того, сверхтонкий профиль соединителей не дает затенения при использовании их в светодиодных светильниках.

Светодиодные драйверы.
Компания Texas Instruments выпускает компактные интегральные двухамперные светодиодные драйверы TPS92515/ TPS92515-Q1, представляющие собой импульсные регуляторы со встроенным низкоомным N-канальным МОП-транзистором. Они предназначены для применения в светодиодных светильниках высокой яркости в тех приложениях, где существенное значение имеют КПД, широкая полоса пропускания и широтно-импульсная или аналоговая регулировка яркости. В дополнение к этому компания Infineon, являющаяся мировым лидером в производстве МОП-транзисторов, предлагает линейку транзисторов CoolMOS CE, применение которых обеспечивает высокий КПД, простоту использования и малый уровень электромагнитных помех при разумной стоимости, что делает их наилучшим вариантом для драйверов светодиодов или светодиодных трубчатых ламп. Характеристики МОП-транзисторов линейки CoolMOS CE позволяют использовать их в различных топологиях — понижающих (buck) и обратноходовых (flyback) преобразователях, корректорах коэффициента мощности (PFC)и резонансных преобразователях LLC.

Интеллектуальные светодиодные драйверы

Интеллектуальные светодиодные драйверы обеспечивают подачу питания необходимой мощности и формирование сигналов управления светодиодами. После получения напряжения питания и данных от шлюза PoE светодиодный драйвер действует соответственно полученным по сети информационным сообщениям и командам, основанным на архитектурных, конструкционных и электрических компонентах внутреннего дизайна и данным системы контроля и управления. В настоящее время доступны одно- и двухканальные драйверы, способные питать светодиодные светильники постоянным током с выходным напряжением 12…42 В и максимальной выходной мощностью 45 Вт. Несколько драйверов могут быть соединены последовательно, что позволяет запитать до восьми оконечных устройств от одного шлюза PoE.

Кабельные жгуты светодиодных светильников

Кабельные жгуты светодиодных светильников в настоящее время являются нестандартизированным средством подключения интеллектуальных светодиодных драйверов, обеспечивающим распределение мощности в низковольтных цепях питания и передачу данных, необходимых для управления светодиодными светильниками, датчиками и приводами. Пока эти светодиодные кабельные жгуты не стали промышленным стандартом, хорошим решением при проектировании светодиодных систем является линейка разъемов Micro-Fit 3.0 производства компании Molex, обеспечивающих высокую плотность соединения контактов как сигнальных, так и силовых разъемов.

Датчики

При построении цифровых систем управления зданиями неотъемлемой частью контура регулирования являются проводные и беспроводные датчики, получающие питание от шлюзов PoE либо встраиваемые в светодиодные осветительные приборы.

В системах управления освещением широко применяются беспроводные датчики освещенности, которые характеризуются как экономичные и надежные устройства благодаря наличию автономного питания от накопленной энергии солнечного света. Они способны измерять и передавать на центральный компьютер текущий уровень естественного освещения, что позволяет интеллектуальной сети регулировать освещение в режиме реального времени. Другими распространенными типами датчиков, используемыми в сетях светодиодного освещения, являются измерители качества воздуха, цветовой температуры, влажности, мощности, температуры воздуха, пассивные инфракрасные датчики движения/присутствия, датчики состояния выключателей и бесконтактные выключатели.

Беспроводные выключатели и диммеры

Автономные беспроводные настенные выключатели и диммеры используют технологии накопления энергии от окружающей среды и осуществляют беспроводный обмен данными со шлюзом PoE, обеспечивая удобное управление освещением, температурой и различными электрическими нагрузками. Местный клавишный выключатель/ диммер имеет автономное питание и не требует сменных батарей, так как простое нажатие на клавишу генерирует достаточно энергии для отправки сигнала беспроводному шлюзу.

Заключение

Интеллектуальные светодиодные системы освещения, объединенные с компьютерными сетями, открывают новые области применения светодиодного освещения в мире «умных» домов и информационных технологий. Эти системы освещения включают в себя различные технологии, в том числе - шлюзы, светильники, лампы, интеллектуальные драйверы, кабельные жгуты, датчики и беспроводные выключатели и диммеры. Будущее станет лучше, когда интеллект системного уровня объединится с нашей рабочей средой, позволяя уже сегодня создать умный дом будущего.

Статью подготовил и перевел Морозов Вячеслав, г. Ростов-на-Дону,
по материалам журнала "Electronics Information Update", апрель 2017 г.

Читать больше статей

terraelectronica.ru

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя